1.本学科领域的发展趋势

国际科学界普遍认为，大气科学是人类步入21世纪时应当优先得到高度重视和发展的学科，这说明，大气科学与人类自身的生存发展息息相关。当前，大气科学无论是理论研究还是实际应用都还不能满足人类活动、生产发展和科学进步对它所提出的要求，因此应当首先重视、加强和全力支持这一学科的观测实验、计算机数值模拟和基础研究工作。这是世界许多著名科学家、研究机构、学术团体和政府决策部门的共识。

近年来，在大气科学领域中，在长期探索研究和实验观测的基础上、在非线性科学迅速发展的重大概念和方法的影响下，开始逐渐认识到大气系统是一个高度不均匀的、强非线性的、具有耗散结构和演化特征的复杂系统，非线性是其复杂性的根源。

由于大气系统中发生着多种多样的包括物质、动量和能量在内的转化过程，转化的时间尺度和空间尺度都跨越了多个数量级，很自然地将大气系统看作是大气-环境-生态耦合系统的组成部分，并纳入这个复杂的耦合系统之中，从整体上、相互作用的关系上、时间演化和空间尺度的关联上进行研究已经成为当前世界大气科学领域的主要发展趋势。

通过科学研究探求对自然界中复杂系统的综合调控规律的认识，其中包括研究天气的变化和气候的长期预测，生态环境的长期变化趋势，大气环流模式和全球变化，生物圈、气圈概念的扩展和深化，环境规划和自然改造工程以及作为这些问题的理论基础的非线性与复杂性的研究。其结果将要决定我们未来将生存在一个怎样的环境之中。

在过去的10年中，我们分别 在上述若干专题的研究中取得了成绩，对大气系统的认识获得了长足的进展，我们从非线性动力学研究中获得的最重要的启示是：大气是敏感初条件的、开放的、耗散的复杂系统，孤立地研究已不能适应大气科学当前的发展水平，必须研究大气系统与环境系统、生态系统之间的耦合及其整体行为，促进学科新概念、新方法的相互交叉与渗透，在今后的5~10年的时间里，力争在非线性动力学的层次上认识大气-环境-生态耦合系统复杂性的本质。这是当前大气科学前沿竞争的领域，无疑它将决定具体课题的研究水平、深度和科学意义。

大气、环境和生态是人类赖以生存的自然系统，人类的活动、社会的进步和经济的发展已强烈地影响到自然系统的状态和局部相互作用的方式，我们已经清楚地认识到研究人与自然系统之间关系的时刻已经到来，大气、环境与生态各分系统近10年来取得的研究成果已经奠定了对人与自然系统的关系进行整体研究的科学基础，我们强烈地希望这些研究的结果能成为自然系统合理调控的依据，从而改善我们生存的环境，适应与促进国民经济的发展。这是我国广大的大气科研人员和政府决策部门义不容辞的责任，而且是只能由我们自己来完成的事业，因为这些问题本身的最大特征是区域性的，所以是国际上任何学术机构、团体和科学家个人都无法也不能取代的。

经过长期的科学探索之后，我们已经感到把大气、生态和环境问题综合为复杂的自然系统（Natural system），研究自然界本身对这些相互耦合的分系统的调控规律、各分系统之间的非线性相互制约作用，寻找自然界自组织与自适应现象的非线性动力学机制，认识复杂性的本质，作出符合实际的预测，这是一个全新的研究领域。

2. 本学科领域国际国内研究进展

·国外状况

美国是世界非线性科学的研究中心，在洛斯 · 阿拉莫斯国家实验室、贝克曼研究所、加州大学、德克萨斯州立大学、普林斯顿大学应用数学研究所、休斯顿大学以及国际商用机器公司（IBM）等都分别建立了非线性研究机构，设立课题开展了具有特色的研究工作。国、法国、意大利、德国等西欧主要工业国以及日本也都纷纷设立研究中心或在大学组建非线性研究机构，进行自由选题，从各种不同的角度发挥科学家的特长，促进研究向纵深发展，国际会议已相继召开多次，内容广泛，参加人数之多，是其它学科难以相比的。

独联体各国是世界上继美国之后实力雄厚的高水平的非线性科学研究基地，在混沌理论、运动稳定性问题、大气中的非线性与湍流过程问题等方面所取得的研究成果，就其理论的严谨、基础的雄厚甚至美国也难与之一比。

而大气-环境-生态耦合系统是在大、中、小不同空间范围上；又在长、中、短不同时间尺度上研究自然系统中强、中、弱各种复杂的非线性动力学过程的天然实验室，又是人类生存活动的场所，因而一直是国际社会和公众舆论关心的热点，甚至成为政府机构重大决策的主要内容。国际科联（ICSU）和世界气象组织（WMO）在全球大气研究计划（GARP）实施的基础上，又提出了世界气候研究计划（WCRP），已从1986年开始组织实施，重点是研究气候系统的物理机制和动力学特征，美国在WCRP计划中已经开展了大规模、多学科综合探测与研究，由于人类活动对生态、环境和局地气候的影响已成为一个明显的事实，国际科联理事会通过了“国际地圈-生物圈计划”，其目的是研究发生在整个地球系统内，特别是圈交界面上相互耦合作用的物理、化学和生物学过程，进而研究全球变化。

国际当前的发展状况表明，人们已充分认识到要解决人类生存环境变化趋势的预测及对策问题，提出人类活动对气候、生态、环境影响的可靠的科学依据，就必须将地圈、水圈、生物圈、气圈有机地结合起来，对整个地球系统进行整体研究，这也是我们当前提出的在非线性与复杂性研究的基础上探讨大气-环境-生态耦合系统自组织过程与宏观整体行为的基本内容，同时更强调其调控机制的研究。

·国内状况

国内采用非线性动力学的概念和方法分别研究大气、生态。环境系统的非线性过程和相互耦合的机理，虽然是近几年的事，但重要的是已开始认识到它的重大的科学意义，强烈地要求重视和加强这类自然系统中非线性与复杂性的理论研究、实验研究和跨学科的综合研究，而这正是地球系统科学所要着重研究的问题。

国内各重点大学相继成立非线性问题研究中心，还有一些大学在大气科学系、地球物理系成立了非线性研究中心，以迎接新的科学挑战。

3. 本学科领域在中国科学院的发展前景

在非线性与复杂性问题的研究方面，中国科学院面对着各部门研究机构、高等院校的挑战，在总体上已经处于不利地位。“非线性科学”项目被列为“八 · 五”国家攀登计划，随之扩大到教委系统，正是在这个攀登计划的支持下，许多高等院校相继成立了以不同学科领域为重点的非线性研究机构，吸引了一大批优秀的年青人才，从事高水平的研究工作。

在大气科学领域，气象局、海洋局、环科院、高等院校（北京大学，南京大学等）都在开展和从事气候分析诊断、环境评价、热带太平洋综合考察方面的研究，中国科学院（以大气物理研究所为主）在非线性动力学、大气环流模式、土壤-植被-大气相互作用模式以及物理气候等方面进行了多年的深入研究，获得了为世界所瞩目的研究成果。但是这种优势正在迅速减小，在科研经费极其短缺的情况下，中国科学院的科学家、广大科技工作者不仅为科学院的生存发展，而且也在为科学技术跻身于世界先进行列而拼搏。研究复杂性与非线性的实际应用，就能充分利用科学家的智力资源，重新凝聚一批有才华的中青年科技人才，充分发挥科学家的才干，集中体现交叉性、综合性、跨学科的研究特点，促进地球科学中非线性研究的进展，加速探索复杂性的进程，培养和造就具有广泛适应能力的优秀人才，使我们在这个领域里跻身于Betway必威在线登录 的前列，现在是一次难得的良机，对于中国科学院将具有深远的意义。

以混沌、孤立子为中心内容的非线性研究，是继量子力学、相对论之后的一次广泛深刻的科学革命，它对整个自然科学产生了巨大的影响，甚至波及到社会科学与哲学的发展，中国科学院应当毫不迟疑地支持、加强这方面的研究。

当我们向科研管理部门宣传、介绍和论证非线性研究的必要性与重大意义时，以美国为首的一批科学家已经实现了9100公里每秒100兆位的光学孤立子通讯：实现了对混沌的控制并研制出了世界上第一个不可破译密码通讯装置，我们无限感慨，寄希望于“九 · 五”计划能立项，在即将成立的“地球科学中心”有一席之地。

4. 各学科领域中非线性动力学的研究

非线性问题并不是一个近期才出现的新问题，也不是一个新的科学概念，实质上，地球科学中的各种动力学问题都是非线性的。混沌的发现，为非线性动力学的研究提供了新的科学概念和方法，孤立子的发现增强了人们寻找非线性问题的共性和统一解法的信念。

非线性研究并不等于各学科领域非线性问题的总和。它是把其中的共性抽象出来，在更高层次上进行普适性研究，所得结果再返回去促进具体学科领域非线性动力学的研究——这是美、英、独联体各国采纳的一条行之有效的研究路线。

显然，各学科非线性动力学的研究都侧重于某个方面，由具体问题引发，它不可能也无法替代整体的非线性研究。

大气系统是人类迄今所面临的最复杂的非线性系统，真实的大气实验是不可控的，在自然界也是难于实现的。大气系统是混沌现象的发源地，大气系统是研究非线性、复杂性的最恰当的对象，是从整体上进行研究适合的学科领域。

在地球系统科学领域中各个学科应当增加相互之间的交叉与渗透，应当加强跨学科的基础研究，而非线性、复杂性的研究项目能够起到上述作用，对于增强基础，培养年青人才，特别是承担跨学科、进行交叉研究的年青人才来说，具有强烈的吸引力和凝聚力，因而具有重要的现实意义。

5. 大气非线性、复杂性研究的主要内容和展望

采用非线性动力学的概念和方法加强对大气系统非线性与复杂过程的理论研究、实验研究和跨学科的综合研究，探索其复杂性的动力学机制的共性，以此来跟踪大气科学的前沿进展，并把在大气系统研究中取得的结果（包括方法论、模式和实验技术）推广到由大气、环境和生态组成的自然系统中，发展与充实理论框架，开创研究复杂系统的新途径，为人类生存的生态环境、气候预测、自然系统的科学调控等重大前沿进展做出贡献。

主要研究内容有：

（1）实用非线性和复杂性问题的研究；

（2）大气非线性与湍流过程中动力学复杂性的综合实验研究；

（3）大气系统非线性相互作用形成的拟序结构（相干性）的研究与预测；

（4）大气-环境-生态耦合系统的动力学及数值模拟；

（5）湍流边界层的结构及输送机理的研究；

（6）自然系统中各子系统的耦合与相互作用的机理及其数值模拟；

（7）自然系统宏观调控的基础研究。

预期可以取得的成果和可以达到的目标是：

（1）建立大气-环境-生态耦合系统的动力学模式 · 对我国全局性的自然改造工程提出大气、环境与生态系统之间合理调控的科学咨询方案与科学依据。

（2）发展研究复杂系统（大尺度，长时间，多层次）的分析（Analysis，A）、综合（Synthesis，S）和整体研究（Integrative Study，IS）的科学方法论（ASIS）。

（3）提出大气湍流形成机制的三维动力学模型。

（4）利用时间序列重建动力学系统方程的方法进行实际预报实验。

（5）培养和造就一批青年研究人员，他们具有扎实的数理基础，具有极强的适应能力，能在国际上和科学的前沿进行高水平的研究。

6. 结束语

研究非线性、探索复杂性，既属于基础研究，也属于应用研究。前一个性质决定了本学科应发展和创立新的学术观点、新概念和新思想，在涉及自然系统的重大问题的基本概念方面进行深层次的研究和深入的探讨，逐渐形成我国科学家的学派和研究风格，对国际学术界中这一领域的前沿提出我们的真知灼见。而本学科的后一个性质决定了应开展应用研究，随时注意国内外非线性科学的进展，真正解决自然系统中某些典型问题，从而对国民经济的发展作出应有的贡献。

为此，培养与造就具有分析能力，有深厚的数理功底，又能从整体上把握研究方向的中青年人才，让他们在研究的前沿课题中参与国际上的竞争一这是地球系统科学迎接当前与未来全球大气_生态一环境问题的挑战应当作出的具体而实际的响应。